併發程式設計 —— 原始碼分析公平鎖和非公平鎖

莫那·魯道發表於2019-03-04
程式設計原始碼

前言

ReentrantLock 提供了公平鎖和非公平鎖，只需要在構造方法中使用一個 boolean 引數即可。預設非公平鎖。

今天從原始碼層面看看區別和具體實現。

1. 類 UML 圖

image.png

ReentrantLock 內部有一個抽象類 Sync，繼承了 AQS。

而公平鎖的實現就是 FairSync，非公平鎖的實現就是 NodFairSync。

兩把鎖的區別在於lock 方法的實現。

2. 公平鎖 lock 方法實現

final void lock() {
    acquire(1);
}
複製程式碼

呼叫的是 AQS 的acquire方法，熟悉 AQS 的同學都知道，AQS 會回撥子類的 tryAcquire 方法，看看公平鎖的tryAcquire實現。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}
複製程式碼

說下邏輯：

  1. 獲取 state 變數，如果是 0，說明鎖可以獲取。
  2. 判斷 AQS 佇列中是否有等待的執行緒，如果沒有，就使用 CAS 嘗試獲取。獲取成功後，將 CLH 的持有執行緒修改為當前執行緒。
  3. 重入鎖邏輯。
  4. 如果失敗，返回 false， AQS 會將這個執行緒放進佇列，並掛起。

注意上面的第二步：判斷 AQS 佇列中是否有等待的執行緒。

這就是公平的體現。

再看看非公平鎖的區別。

3. 非公平鎖 lock 方法實現

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}
複製程式碼

lock 方法就不同了，很衝動的一個方法，直接使用 CAS 獲取鎖，如果成功了，就設定鎖的持有執行緒為自己。很快速。所以預設使用了非公平鎖。

如果失敗了，就呼叫 AQS 的 acquire 方法。當然，我們看的還是tryAcquire方法，在上面的程式碼中，tryAcquire方法呼叫了父類Sync 的 nonfairTryAcquire，為什麼在父類中呢？

在ReentrantLock 的 tryLock方法中，也呼叫了該方法。因為這個方法是快速返回的。該方法不會讓等待時間久的執行緒獲取鎖。符合 tryLock 的設計。

方法實現如下：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}
複製程式碼

該方法相比較公平鎖的 tryAcquire方法，少了一步判斷 AQS 佇列中是否有等待的執行緒的操作。

他要做的就是直接搶鎖，不讓給佇列裡那些等待時間長的。

搶不到再進入佇列。等待他的前置節點喚醒他。這個過程是公平的。

4. 總結

ReentrantLock中的公平鎖和非公平鎖的區別就在於：呼叫 lock 方法獲取鎖的時候 要不要判斷 AQS 佇列中是否有等待的執行緒，公平鎖為了讓每一個執行緒都均衡的使用鎖，就需要判斷，如果有，讓給他，非公平鎖很霸道，不讓不讓就不讓。

但如果失敗了，進入佇列了，進會按照 AQS 的邏輯來，整體順序就是公平的。

還有個注意的地方就是：ReentrantLock 的 tryLock（無超時機制） 方法使用的非公平策略。符合他的設計。

而 tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 方法則會根據 Sync 的具體實現來呼叫。不會衝動的呼叫 nonfairTryAcquire 方法。

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